സെല്ലുലോസ് ഈതർ/പോളിഅക്രിലിക് ആസിഡ് ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ടിംഗ് ഫിലിം

ഗവേഷണ പശ്ചാത്തലം

പ്രകൃതിദത്തവും സമൃദ്ധവും പുനരുപയോഗിക്കാവുന്നതുമായ ഒരു വിഭവമെന്ന നിലയിൽ, സെല്ലുലോസ് അതിന്റെ ഉരുകാത്തതും പരിമിതമായ ലയിക്കുന്ന ഗുണങ്ങളും കാരണം പ്രായോഗിക പ്രയോഗങ്ങളിൽ വലിയ വെല്ലുവിളികൾ നേരിടുന്നു. സെല്ലുലോസ് ഘടനയിലെ ഉയർന്ന ക്രിസ്റ്റലിനിറ്റിയും ഉയർന്ന സാന്ദ്രതയുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ടുകളും അതിനെ വിഘടിപ്പിക്കുന്നു, പക്ഷേ കൈവശപ്പെടുത്തൽ പ്രക്രിയയിൽ ഉരുകുന്നില്ല, വെള്ളത്തിലും മിക്ക ജൈവ ലായകങ്ങളിലും ലയിക്കില്ല. പോളിമർ ശൃംഖലയിലെ അൻഹൈഡ്രോഗ്ലൂക്കോസ് യൂണിറ്റുകളിലെ ഹൈഡ്രോക്‌സിൽ ഗ്രൂപ്പുകളുടെ എസ്റ്ററിഫിക്കേഷനും ഈഥറിഫിക്കേഷനും വഴിയാണ് അവയുടെ ഡെറിവേറ്റീവുകൾ ഉത്പാദിപ്പിക്കുന്നത്, കൂടാതെ പ്രകൃതിദത്ത സെല്ലുലോസുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ ചില വ്യത്യസ്ത ഗുണങ്ങൾ പ്രദർശിപ്പിക്കും. സെല്ലുലോസിന്റെ ഈഥറിഫിക്കേഷൻ പ്രതിപ്രവർത്തനത്തിന് മീഥൈൽ സെല്ലുലോസ് (MC), ഹൈഡ്രോക്‌സിഥൈൽ സെല്ലുലോസ് (HEC), ഹൈഡ്രോക്‌സിപ്രൊപൈൽ സെല്ലുലോസ് (HPC) പോലുള്ള നിരവധി വെള്ളത്തിൽ ലയിക്കുന്ന സെല്ലുലോസ് ഈഥറുകൾ സൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിയും, ഇവ ഭക്ഷണം, സൗന്ദര്യവർദ്ധക വസ്തുക്കൾ, ഫാർമസ്യൂട്ടിക്കൽസ്, മെഡിസിൻ എന്നിവയിൽ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. വെള്ളത്തിൽ ലയിക്കുന്ന CE-ക്ക് പോളികാർബോക്‌സിലിക് ആസിഡുകളും പോളിഫെനോളുകളും ഉപയോഗിച്ച് ഹൈഡ്രജൻ-ബോണ്ടഡ് പോളിമറുകൾ സൃഷ്ടിക്കാൻ കഴിയും.

പോളിമർ കോമ്പോസിറ്റ് നേർത്ത ഫിലിമുകൾ തയ്യാറാക്കുന്നതിനുള്ള ഫലപ്രദമായ ഒരു രീതിയാണ് ലെയർ-ബൈ-ലെയർ അസംബ്ലി (LBL). HEC, MC, HPC എന്നീ മൂന്ന് വ്യത്യസ്ത CE-കളുടെ LBL അസംബ്ലിയെ PAA-യുമായി താഴെ പ്രധാനമായും വിവരിക്കുന്നു, അവയുടെ അസംബ്ലി സ്വഭാവം താരതമ്യം ചെയ്യുന്നു, കൂടാതെ LBL അസംബ്ലിയിൽ പകരക്കാരുടെ സ്വാധീനം വിശകലനം ചെയ്യുന്നു. ഫിലിം കനത്തിൽ pH-ന്റെ സ്വാധീനവും ഫിലിം രൂപീകരണത്തിലും ലയനത്തിലും pH-ന്റെ വ്യത്യസ്ത വ്യത്യാസങ്ങളും അന്വേഷിക്കുക, CE/PAA-യുടെ ജല ആഗിരണം ഗുണങ്ങൾ വികസിപ്പിക്കുക.

പരീക്ഷണാത്മക വസ്തുക്കൾ:

പോളിഅക്രിലിക് ആസിഡ് (PAA, Mw = 450,000). 2wt.% ജലീയ ഹൈഡ്രോക്സിതൈൽ സെല്ലുലോസിന്റെ (HEC) വിസ്കോസിറ്റി 300 mPa·s ആണ്, കൂടാതെ സബ്സ്റ്റിറ്റ്യൂഷന്റെ അളവ് 2.5 ആണ്. മീഥൈൽ സെല്ലുലോസ് (MC, 400 mPa·s വിസ്കോസിറ്റിയും 1.8 ഡിഗ്രി സബ്സ്റ്റിറ്റ്യൂഷനും ഉള്ള 2wt.% ജലീയ ലായനി). ഹൈഡ്രോക്സിപ്രൊപൈൽ സെല്ലുലോസ് (HPC, 400 mPa·s വിസ്കോസിറ്റിയും 2.5 ഡിഗ്രി സബ്സ്റ്റിറ്റ്യൂഷനും ഉള്ള 2wt.% ജലീയ ലായനി).

ഫിലിം തയ്യാറെടുപ്പ്:

25°C താപനിലയിൽ സിലിക്കണിൽ ലിക്വിഡ് ക്രിസ്റ്റൽ ലെയർ അസംബ്ലി ഉപയോഗിച്ചാണ് ഇത് തയ്യാറാക്കിയത്. സ്ലൈഡ് മാട്രിക്സിന്റെ സംസ്കരണ രീതി ഇപ്രകാരമാണ്: അമ്ല ലായനിയിൽ (H2SO4/H2O2, 7/3Vol/VOL) 30 മിനിറ്റ് മുക്കിവയ്ക്കുക, തുടർന്ന് pH ന്യൂട്രൽ ആകുന്നതുവരെ ഡീയോണൈസ് ചെയ്ത വെള്ളത്തിൽ പലതവണ കഴുകുക, ഒടുവിൽ ശുദ്ധമായ നൈട്രജൻ ഉപയോഗിച്ച് ഉണക്കുക. ഓട്ടോമാറ്റിക് മെഷിനറികൾ ഉപയോഗിച്ചാണ് LBL അസംബ്ലി നടത്തുന്നത്. CE ലായനിയിൽ (0.2 mg/mL) അടിവസ്ത്രം മാറിമാറി മുക്കി PAA ലായനിയിൽ (0.2 mg/mL) ഓരോ ലായനിയും 4 മിനിറ്റ് മുക്കിവച്ചു, ഓരോ ലായനിയും 4 മിനിറ്റ് മുക്കിവച്ചു. അയഞ്ഞ പോളിമർ നീക്കം ചെയ്യുന്നതിനായി ഓരോ ലായനി സോക്കിനും ഇടയിൽ ഡീയോണൈസ് ചെയ്ത വെള്ളത്തിൽ 1 മിനിറ്റ് വീതമുള്ള മൂന്ന് റിൻസ് സോക്കുകൾ നടത്തി. അസംബ്ലി ലായനിയുടെയും റിൻസിംഗ് ലായനിയുടെയും pH മൂല്യങ്ങൾ pH 2.0 ആയി ക്രമീകരിച്ചു. തയ്യാറാക്കിയ ഫിലിമുകളെ (CE/PAA)n എന്ന് സൂചിപ്പിക്കുന്നു, ഇവിടെ n അസംബ്ലി സൈക്കിളിനെ സൂചിപ്പിക്കുന്നു. (HEC/PAA)40, (MC/PAA)30, (HPC/PAA)30 എന്നിവയാണ് പ്രധാനമായും തയ്യാറാക്കിയത്.

സിനിമയുടെ സ്വഭാവം:

നാനോകാൽക്-എക്സ്ആർ ഓഷ്യൻ ഒപ്റ്റിക്സ് ഉപയോഗിച്ച് സാധാരണ നിലയിലുള്ള പ്രതിഫലന സ്പെക്ട്രകൾ റെക്കോർഡുചെയ്‌ത് വിശകലനം ചെയ്‌തു, സിലിക്കണിൽ നിക്ഷേപിച്ചിരിക്കുന്ന ഫിലിമുകളുടെ കനം അളന്നു. ഒരു ശൂന്യമായ സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റ് പശ്ചാത്തലമാക്കി, സിലിക്കൺ സബ്‌സ്‌ട്രേറ്റിലെ നേർത്ത ഫിലിമിന്റെ FT-IR സ്പെക്ട്രത്തെ നിക്കോലെറ്റ് 8700 ഇൻഫ്രാറെഡ് സ്പെക്ട്രോമീറ്ററിൽ ശേഖരിച്ചു.

PAA യും CE കളും തമ്മിലുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് ഇടപെടലുകൾ:

HEC, MC, HPC എന്നിവയെ PAA ഉപയോഗിച്ച് LBL ഫിലിമുകളായി കൂട്ടിച്ചേർക്കുന്നു. HEC/PAA, MC/PAA, HPC/PAA എന്നിവയുടെ ഇൻഫ്രാറെഡ് സ്പെക്ട്ര ചിത്രത്തിൽ കാണിച്ചിരിക്കുന്നു. PAA, CES എന്നിവയുടെ ശക്തമായ IR സിഗ്നലുകൾ HEC/PAA, MC/PAA, HPC/PAA എന്നിവയുടെ IR സ്പെക്ട്രയിൽ വ്യക്തമായി കാണാൻ കഴിയും. സ്വഭാവ ആഗിരണം ബാൻഡുകളുടെ മാറ്റം നിരീക്ഷിച്ചുകൊണ്ട് PAA, CES എന്നിവയ്ക്കിടയിലുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് സങ്കീർണ്ണതയെ FT-IR സ്പെക്ട്രോസ്കോപ്പിക്ക് വിശകലനം ചെയ്യാൻ കഴിയും. CES-നും PAA-യ്ക്കും ഇടയിലുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് പ്രധാനമായും സംഭവിക്കുന്നത് CES-ന്റെ ഹൈഡ്രോക്‌സിൽ ഓക്‌സിജനും PAA-യുടെ COOH ഗ്രൂപ്പിനുമിടയിലാണ്. ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് രൂപപ്പെട്ടതിനുശേഷം, സ്ട്രെച്ചിംഗ് പീക്ക് റെഡ് ലോ ഫ്രീക്വൻസി ദിശയിലേക്ക് മാറുന്നു.

ശുദ്ധമായ PAA പൊടിക്ക് 1710 cm-1 എന്ന കൊടുമുടി നിരീക്ഷിക്കപ്പെട്ടു. വ്യത്യസ്ത CE-കളുള്ള ഫിലിമുകളിലേക്ക് പോളിഅക്രിലാമൈഡ് കൂട്ടിച്ചേർക്കപ്പെട്ടപ്പോൾ, HEC/PAA, MC/PAA, MPC/PAA ഫിലിമുകളുടെ കൊടുമുടികൾ യഥാക്രമം 1718 cm-1, 1720 cm-1, 1724 cm-1 എന്നിങ്ങനെയായിരുന്നു. ശുദ്ധമായ PAA പൊടിയുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, HPC/PAA, MC/PAA, HEC/PAA ഫിലിമുകളുടെ കൊടുമുടികൾ യഥാക്രമം 14, 10, 8 cm−1 എന്നിങ്ങനെ മാറി. ഈഥർ ഓക്സിജനും COOH-ഉം തമ്മിലുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് COOH ഗ്രൂപ്പുകൾ തമ്മിലുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ടിനെ തടസ്സപ്പെടുത്തുന്നു. PAA-യ്ക്കും CE-യ്ക്കും ഇടയിൽ കൂടുതൽ ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ടുകൾ രൂപപ്പെടുമ്പോൾ, IR സ്പെക്ട്രയിൽ CE/PAA-യുടെ പീക്ക് ഷിഫ്റ്റ് വർദ്ധിക്കും. HPC-ക്ക് ഏറ്റവും ഉയർന്ന ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് സങ്കീർണ്ണതയുണ്ട്, PAA-യും MC-യും മധ്യത്തിലാണ്, HEC ഏറ്റവും താഴ്ന്നതാണ്.

പിഎഎ, സിഇ എന്നിവയുടെ സംയുക്ത ഫിലിമുകളുടെ വളർച്ചാ സ്വഭാവം:

എൽബിഎൽ അസംബ്ലി സമയത്ത് പിഎഎയുടെയും സിഇയുടെയും ഫിലിം-ഫോമിംഗ് സ്വഭാവം ക്യുസിഎമ്മും സ്പെക്ട്രൽ ഇന്റർഫെറോമെട്രിയും ഉപയോഗിച്ച് അന്വേഷിച്ചു. ആദ്യത്തെ കുറച്ച് അസംബ്ലി സൈക്കിളുകളിൽ ഫിലിം വളർച്ച ഇൻ സിറ്റു നിരീക്ഷിക്കുന്നതിന് ക്യുസിഎം ഫലപ്രദമാണ്. 10 സൈക്കിളുകളിൽ കൂടുതൽ വളർത്തിയ ഫിലിമുകൾക്ക് സ്പെക്ട്രൽ ഇന്റർഫെറോമീറ്ററുകൾ അനുയോജ്യമാണ്.

LBL അസംബ്ലി പ്രക്രിയയിലുടനീളം HEC/PAA ഫിലിം ഒരു രേഖീയ വളർച്ച കാണിച്ചു, അതേസമയം MC/PAA, HPC/PAA ഫിലിമുകൾ അസംബ്ലിയുടെ പ്രാരംഭ ഘട്ടത്തിൽ ഒരു എക്സ്പോണൻഷ്യൽ വളർച്ച കാണിക്കുകയും പിന്നീട് ഒരു രേഖീയ വളർച്ചയായി രൂപാന്തരപ്പെടുകയും ചെയ്തു. രേഖീയ വളർച്ചാ മേഖലയിൽ, സങ്കീർണ്ണതയുടെ അളവ് കൂടുതലാകുമ്പോൾ, അസംബ്ലി സൈക്കിളിലെ കനം വർദ്ധിക്കും.

ലായനി pH ന്റെ ഫിലിം വളർച്ചയിലെ പ്രഭാവം:

ലായനിയുടെ pH മൂല്യം ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ടഡ് പോളിമർ കോമ്പോസിറ്റ് ഫിലിമിന്റെ വളർച്ചയെ ബാധിക്കുന്നു. ദുർബലമായ പോളിഇലക്ട്രോലൈറ്റ് ആയതിനാൽ, ലായനിയുടെ pH വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് PAA അയോണീകരിക്കപ്പെടുകയും നെഗറ്റീവ് ചാർജ് ചെയ്യപ്പെടുകയും ചെയ്യും, അതുവഴി ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് അസോസിയേഷനെ തടയുന്നു. PAA യുടെ അയോണൈസേഷന്റെ അളവ് ഒരു നിശ്ചിത ലെവലിൽ എത്തുമ്പോൾ, LBL-ൽ ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് സ്വീകർത്താക്കളുള്ള ഒരു ഫിലിമിലേക്ക് PAA-യ്ക്ക് കൂട്ടിച്ചേർക്കാൻ കഴിഞ്ഞില്ല.

ലായനിയുടെ pH വർദ്ധനയോടെ ഫിലിം കനം കുറഞ്ഞു, pH2.5 HPC/PAA യിലും pH3.0-3.5 HPC/PAA യിലും ഫിലിം കനം പെട്ടെന്ന് കുറഞ്ഞു. HPC/PAA യുടെ ക്രിട്ടിക്കൽ പോയിന്റ് ഏകദേശം pH 3.5 ആണ്, അതേസമയം HEC/PAA യുടെ ക്രിട്ടിക്കൽ പോയിന്റ് ഏകദേശം 3.0 ആണ്. ഇതിനർത്ഥം അസംബ്ലി ലായനിയുടെ pH 3.5 ൽ കൂടുതലാകുമ്പോൾ, HPC/PAA ഫിലിം രൂപപ്പെടുത്താൻ കഴിയില്ല, ലായനിയുടെ pH 3.0 ൽ കൂടുതലാകുമ്പോൾ, HEC/PAA ഫിലിം രൂപപ്പെടുത്താൻ കഴിയില്ല എന്നാണ്. HPC/PAA മെംബ്രണിന്റെ ഉയർന്ന അളവിലുള്ള ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ട് കോംപ്ലക്സേഷൻ കാരണം, HPC/PAA മെംബ്രണിന്റെ ക്രിട്ടിക്കൽ pH മൂല്യം HEC/PAA മെംബ്രണിനേക്കാൾ കൂടുതലാണ്. ഉപ്പ് രഹിത ലായനിയിൽ, HEC/PAA, MC/PAA, HPC/PAA എന്നിവയാൽ രൂപപ്പെടുന്ന കോംപ്ലക്സുകളുടെ ക്രിട്ടിക്കൽ pH മൂല്യങ്ങൾ യഥാക്രമം 2.9, 3.2, 3.7 എന്നിങ്ങനെയായിരുന്നു. HPC/PAA യുടെ ക്രിട്ടിക്കൽ pH HEC/PAA യേക്കാൾ കൂടുതലാണ്, ഇത് LBL മെംബ്രണിന്റെ ക്രിട്ടിക്കൽ pH ന് തുല്യമാണ്.

CE/ PAA മെംബ്രണിന്റെ ജല ആഗിരണം പ്രകടനം:

CES ഹൈഡ്രോക്‌സിൽ ഗ്രൂപ്പുകളാൽ സമ്പന്നമായതിനാൽ അതിന് നല്ല ജല ആഗിരണവും ജല നിലനിർത്തലും ഉണ്ട്. HEC/PAA മെംബ്രൺ ഒരു ഉദാഹരണമായി എടുത്ത്, പരിസ്ഥിതിയിൽ ഹൈഡ്രജൻ-ബോണ്ടഡ് CE/PAA മെംബ്രണിന്റെ ജലത്തിലേക്കുള്ള ആഗിരണം ശേഷി പഠിച്ചു. സ്പെക്ട്രൽ ഇന്റർഫെറോമെട്രിയുടെ സവിശേഷതയായ ഫിലിം വെള്ളം ആഗിരണം ചെയ്യുമ്പോൾ ഫിലിം കനം വർദ്ധിക്കുന്നു. ജല ആഗിരണ സന്തുലിതാവസ്ഥ കൈവരിക്കുന്നതിനായി 25°C താപനിലയിൽ ക്രമീകരിക്കാവുന്ന ഈർപ്പം ഉള്ള ഒരു അന്തരീക്ഷത്തിൽ 24 മണിക്കൂർ ഫിലിമുകൾ സ്ഥാപിച്ചു. ഈർപ്പം പൂർണ്ണമായും നീക്കം ചെയ്യുന്നതിനായി ഫിലിമുകൾ 24 മണിക്കൂർ വാക്വം ഓവനിൽ (40°C) ഉണക്കി.

ഈർപ്പം കൂടുന്നതിനനുസരിച്ച്, ഫിലിം കട്ടിയാകുന്നു. 30%-50% കുറഞ്ഞ ഈർപ്പം പ്രദേശത്ത്, കട്ടിയുള്ള വളർച്ച താരതമ്യേന മന്ദഗതിയിലാണ്. ഈർപ്പം 50% കവിയുമ്പോൾ, കട്ടിയുള്ളത് വേഗത്തിൽ വളരുന്നു. ഹൈഡ്രജൻ-ബന്ധിത PVPON/PAA മെംബ്രണുമായി താരതമ്യപ്പെടുത്തുമ്പോൾ, HEC/PAA മെംബ്രണിന് പരിസ്ഥിതിയിൽ നിന്ന് കൂടുതൽ വെള്ളം ആഗിരണം ചെയ്യാൻ കഴിയും. 70% (25°C) ആപേക്ഷിക ആർദ്രതയുടെ അവസ്ഥയിൽ, PVPON/PAA ഫിലിമിന്റെ കട്ടിയാക്കൽ പരിധി ഏകദേശം 4% ആണ്, അതേസമയം HEC/PAA ഫിലിമിന്റെ കട്ടിയാക്കൽ പരിധി ഏകദേശം 18% വരെ ഉയർന്നതാണ്. HEC/PAA സിസ്റ്റത്തിലെ ഒരു നിശ്ചിത അളവിലുള്ള OH ഗ്രൂപ്പുകൾ ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ടുകളുടെ രൂപീകരണത്തിൽ പങ്കെടുത്തിട്ടുണ്ടെങ്കിലും, പരിസ്ഥിതിയിൽ വെള്ളവുമായി ഇടപഴകുന്ന ഗണ്യമായ എണ്ണം OH ഗ്രൂപ്പുകൾ ഇപ്പോഴും ഉണ്ടെന്ന് ഫലങ്ങൾ കാണിച്ചു. അതിനാൽ, HEC/PAA സിസ്റ്റത്തിന് നല്ല ജല ആഗിരണം ഗുണങ്ങളുണ്ട്.

ഉപസംഹാരമായി

(1) CE, PAA എന്നിവയുടെ ഏറ്റവും ഉയർന്ന ഹൈഡ്രജൻ ബോണ്ടിംഗ് ഡിഗ്രി ഉള്ള HPC/PAA സിസ്റ്റത്തിലാണ് ഏറ്റവും വേഗതയേറിയ വളർച്ചയുള്ളത്, MC/PAA മധ്യത്തിലും HEC/PAA ഏറ്റവും താഴ്ന്നതുമാണ്.

(2) തയ്യാറെടുപ്പ് പ്രക്രിയയിലുടനീളം HEC/PAA ഫിലിം ഒരു രേഖീയ വളർച്ചാ മോഡ് കാണിച്ചു, അതേസമയം മറ്റ് രണ്ട് ഫിലിമുകൾ MC/PAA, HPC/PAA എന്നിവ ആദ്യ കുറച്ച് സൈക്കിളുകളിൽ ഒരു എക്സ്പോണൻഷ്യൽ വളർച്ച കാണിച്ചു, തുടർന്ന് ഒരു രേഖീയ വളർച്ചാ മോഡിലേക്ക് രൂപാന്തരപ്പെട്ടു.

(3) CE/PAA ഫിലിമിന്റെ വളർച്ച ലായനിയുടെ pH നെ ശക്തമായി ആശ്രയിച്ചിരിക്കുന്നു. ലായനിയുടെ pH അതിന്റെ ക്രിട്ടിക്കൽ പോയിന്റിനേക്കാൾ കൂടുതലാകുമ്പോൾ, PAA യും CE യും ഒരു ഫിലിമായി കൂട്ടിച്ചേർക്കാൻ കഴിയില്ല. കൂട്ടിച്ചേർത്ത CE/PAA മെംബ്രൺ ഉയർന്ന pH ലായനികളിൽ ലയിക്കുന്നതായിരുന്നു.

(4) CE/PAA ഫിലിമിൽ OH, COOH എന്നിവ ധാരാളമായി അടങ്ങിയിരിക്കുന്നതിനാൽ, ചൂട് ചികിത്സ അതിനെ ക്രോസ്-ലിങ്ക്ഡ് ആക്കുന്നു. ക്രോസ്-ലിങ്ക്ഡ് CE/PAA മെംബ്രണിന് നല്ല സ്ഥിരതയുണ്ട്, ഉയർന്ന pH ലായനികളിൽ ലയിക്കില്ല.

(5) CE/PAA ഫിലിമിന് പരിസ്ഥിതിയിൽ ജലത്തെ നന്നായി ആഗിരണം ചെയ്യാനുള്ള ശേഷിയുണ്ട്.